Контрольная работа: Расчет материального баланса ХТС интегральным методом, расчет технических показателей процесса

Введение

Целью работы является расчет материального баланса ХТС интегральным методом, а также расчет технических показателей процесса. Для этого необходимо выполнить две задачи:

1. Разработать последовательности математических и логических операций. Этот пункт требует знаний физико-химических закономерностей процесса, структуры всей ХТС.

2.Перевод этой последовательности на язык машины и ее решение.

В данной работе будет рассмотрен метод получения метилформиата каталитическим дегидрированием метанола.

Метилформиат -- метиловый эфир муравьиной кислоты HCOOCH3 представляет собой горючую бесцветную летучую жидкость, пары которой тяжелее воздуха и могут скапливаться в нижней части помещения, образуя взрывоопасные смеси с воздухом.

Метилформиат используется в наше время:

Ш Как растворитель жиров, минералов и растительных масел, эфиров целлюлозы, жирных кислот

Ш В производстве некоторых уретанов; формамида, моно- и диметилформамида, муравьиной кислоты; фумигант; ларвицид

В настоящее время метилформиат производится только двумя производителями: FoamSuppliers (торговая марка Ecomate) и BASF (торговая марка Methylformiattechnisch, Германия). В РФ производители метилформиата отсутствуют.

Основным недостатком получения метилформиата дегидрированием метанола является низкая селективность процесса - с ростом степени превращения метанола наряду с метилформиатом наблюдается образование
СО, кроме того, возможно образование метана и диметилового эфира.

Среди перспективных направлений использования метилформиата
можно отметить процессыполучения диметилкарбоната, уксусной кислоты, этиленгликоля, дифосгена и некоторых других соединений. Так же, метилформиат может быть использован вместо синтез-газа в процессах карбонилирования олефинов.[1]

1. Характеристика исходного сырья

Метанол является исходным сырьем для процесса синтеза многих химических соединений, а также для производства метилформиата каталитическим дегидрированием. Метанол - это бесцветная ядовитая жидкость с резким запахом этилового спирта, способная вызвать: слепоту, смерть вследствие паралича верхних дыхательных путей. Температура плавления метанола -97°С, температура кипения 64,7°С, плотность 0,7918 г/см³, температура вспышки 6°С, температура воспламенения 13°С, температура самовоспламенения 440°С. Обладает кислотно-основными свойствами, участвует в реакциях этерификации.[2]

По физико-химическим показателям метиловый спирт должен соответствовать нормам, указанным в таблице 1.

Таблица 1. ГОСТ 2222-95. Метанол технический. [3]

Метиловый спирт является легковоспалменяющейся жидкостью, токсичен при проглатывании, контакте с кожей или вдыхании паров, наносит вред внутренним органам. Предельная концентрация метанола составляет 5 мг/мі. Зарегистрированные препараты метанола относятся к 3-ему класу опасности для человека. [2]

Метанол относится к опасны грузам, из-за чего его транспортировка осуществляется в специальных стальных автоцистернах, танк-контейнерах и бензовозах из низкогликогелированной стали в соответствии с правилами ДОПОГ (дорожная перевозка опасных грузов).

На складах метанол должен храниться в специальных металлических емкостях. Люки, лазы и устройства для слива должны иметь герметичные крышки и пломбироваться. Емкости базового склада должны обеспечивать прием метанола в объеме не менее одной большегрузной железнодорожной цистерны. Базовые склады метанола должны быть оборудованы автоматическими установками пожаротушения и пожарной сигнализацией, а также первичными средствами пожаротушения и пожарными щитами. Базовые склады метанола должны быть оборудованы охранной сигнализацией по периметру и обеспечены круглосуточной охраной. В случае отсутствия прямой видимости склад должен быть оборудован системой видеонаблюдения и сигнализации. Склады должны иметь ограждение из металлической сетки или проволочное с осветительными приборами по периметру, входная дверь складов должна закрываться и пломбироваться. Сохранность замков и пломб на дверях складов и емкостях с метанолом должна ежедневно проверяться заведующим складом и дежурным охранником. Каждый склад метанола должен быть оборудован приемным и раздаточным устройствами, замерными приспособлениями, а также оснащен предупреждающими знаками и надписями в соответствии с НПБ 160-97 и ГОСТ Р 12.4.026. [4]

Производство метанола из синтез-газа предполагает три основные этапа:

1. Риформинг, получение синтез-газа при помощи катализатора из обессеренного природного газа.

2. Синтез метанола в присутствии Zn-Cu-Al катализатора.

3. Очистка метанола-сырца от воды.

Современный промышленный метод получения -- синтез из оксида углерода(II) и водорода на медь-цинковом оксидном катализаторе при следующих условиях:

Ш температура -- 250 °C;

Ш давление -- 7 МПа (= 69,08 атм = 70 Бар = 71,38 кгс/смІ).

2. Целевой продукт

Метилформиат является бесцветной летучей жидкостью с резким запахом. Температура плавления -99,8 °C, температура кипения 31,8 °C, плотность 0,97 г/смі, температура вспышки -21 °C, температура самовоспламенения 456 °C, концентрационный предел воспламенения (КПВ) 5,5-21,8 %, молярная масса вещества -- 60,05 г/моль, растворим в воде, спирте, эфире.

Метилформиат - представитель сложных спиртов. Может вступать в реакции гидролиза с образованием кислоты и спирта в кислотной среде, карбоновых солей и спирта в щелочной среде и реакции восстановления с образованием двух спиртов, а также взаимодействует с амииаком, образуя при этом амид муравьиной кислоты и метанол.

Метиловый эфир муравьиной кислоты является чрезвычайно легковоспламеняющейся жидкостью, его пары с воздухом образуют взрывоопасные смеси. Нагревание приводит к повышению давления с риском взрыва. В случае возгорание существует возможность образования вредных газовых продуктов. При контакте с сильными окислителями существует риск взрыва. Оказывает токсическое действие на центральную нервную систему, носовую полости, кровь, легкие и слизистые оболочки. Обладает классом опасности по ООН: 3. [1]

В связи с высокой взрывоопасностью, метилформиат необходимо хранить в закрытых контейнерах в сухом и хорошо проветриваемом помещении, вдали от источников возгорания и избегая нагевания контейнера. Помещение для хранения должно быть оборудовано вентиляцией, взрывозащищенным электрическим оборудование и освещением. Запрещено использовать сжатый воздух для загрузки, выгрузки или обработки метилформиата. А также необходимо предотвращать образование электростатического заряда (например, используя заземление). Для транспортировки и хранения используют комбинированные тары, одиночные или составные. При использовании комбинированной тары внутренняя тара изготавливается из стекла, металла или пластмассы, наружная тара представляет собою барабаны, ящики или канистры, изготовленные в основном из стали, алюминия и пластмассы. Одиночная тара являет из себя барабаны и канистры, изготовленные, также, из алюминия, стали или пластмассы. Обязательным условием тары для хранения и транспортировки является наличие вентиляции. [5]

Технический метилформиат должен быть изготовлен в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке (ТУ 6-09-11-2166-2002). (Таблица 2)

Таблица 2. ТУ 6-09-11-2166-2002. [6]

3. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта

Для промышленного получения метилформиата, как правило, используют реакцию метанола с оксидом углерода (угарным газом) в присутствии метоксида натрия. При этом для производства относительно небольших объемов вещества имеет смысл применять установки для каталитического дегидрирования метанола, так как способ карбонилирования метанола на гомогенных катализатора обладает рядом недостатков, в числе которых необходимость применения повышенного давления и высокая чувствительность используемой каталитической системы к примесям, содержащимся в исходном сырье. В связи с этим в последние годы внимание исследователей привлекает процесс дегидрирования метанола, который может быть реализован при атмосферном давлении в присутствии гетерогенных медьсодержащих катализаторов.

Целевая реакция:

2СН₃ОН <===> НСООСН₃ + 2H₂(1)

Побочные реакции:

HCOOCH₃<===>CH₃OH + CO(2)

СН₃ОН <===> СН₃ОСН₃+ Н₂О (3)

СН₃ОН + Н₂О <==> СО₂ + 3Н₂(4)

Энтальпия целевой реакции ДН⁰₂₉₈=50,13 кДж/моль, реакция идет с увеличением числа молей, поэтому S⁰₂₉₈>0, поэтому по принципу Ле-Шателье, реакцию нужно проводить с увеличением температуры и с уменьшением давления. Проведение реакции дегидрирования метанола наиболее благоприятно при давлении близком к атмосферному. При этом для определения оптимальных температурных пределов недостаточно термодинамческого анализа, так как при повышение температуры будут активно протекать побочные реакции, в основном - разложение метанола.

Для того чтобы связать константу равновесия реакции с равновесным выходом, выражаются парциальные давления веществ, присутствующих в равновесной системе, через равновесный выход. После сокращений и преобразований константа равновесия имеет вид:

Метиловый спирт может реагировать по различным направлениям. С увеличением концентрации метанола в газовой смеси при температуре 220-280єС скорость образования метилформиата возрастает, при низкой начальной концентрации метилформиата и относительно низкой температуре (125єС), несмотря на значительный избыток водорода в исходной смеси, скорость разложения метилформиата намного выше скорости его гидрирования. С ростом начальной концентрации метилформиата процесс гидрирования метилформиата в метанол начинает преобладать над его распадом на СО и Н2. Проведение процесса при высокой температуре приводит к значительному ускорению реакции разложения метилформиата до водорода и монооксида углерода, так как энергия активации реакции гидрирования меньше энергии активации реакции разложения метилформиата.